Röntgenfluoreszenzspektroskopie zur schnellen Bestimmung der Kathodenchemie im Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Warum alte Batterien noch wichtig sind

Von Smartphones bis zu Elektroautos versorgen Lithium-Ionen-Batterien stillschweigend unser Leben – und am Ende ihrer Lebensdauer sammeln sie sich in großer Zahl an. Im Inneren jeder Batterie enthält die Kathode wertvolle Metalle wie Nickel, Kobalt und Mangan, die wir lieber zurückgewinnen als neu abzubauen. Recycelbetriebe müssen jedoch zunächst genau wissen, welche Kathode sich in jeder verschlossenen Zelle befindet; derzeitige Methoden sind langsam, umständlich oder erfordern das Zerlegen der Batterie. Diese Studie untersucht einen schnellen, zerstörungsfreien Weg, durch Batteriehüllen »hindurchzusehen« mittels Röntgenfluoreszenz (XRF) und bietet damit ein mögliches Konzept für großmaßstäbliches Batterierecycling.

Reinschauen ohne Öffnen

Die Forscher griffen auf Röntgenfluoreszenz (XRF) zurück, ein Verfahren, bei dem hochenergetische Röntgenstrahlen ein Material treffen und dessen Atome charakteristische Röntgensignale aussenden. Diese Signale fungieren wie elementare Fingerabdrücke und zeigen, welche Metalle vorhanden sind. Entscheidend ist, dass XRF oft durch Metall- oder Folienverpackungen einer Batterie hindurch messen kann, ohne sie zu öffnen. In dieser Arbeit verwendete das Team ein Tischgerät für XRF, das mit 50 Kilovolt arbeitete, um 108 gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien unterschiedlicher Bauformen – Knopfzellen, Zylinderzellen und flache Pouch-Zellen – zu scannen, die in einem französischen Recyclingzentrum gesammelt wurden.

Von rohen Signalen zu klaren Gruppen

Allein die Messung der Röntgensignale reicht nicht aus; die Spektren sind komplex und werden sowohl von der Kathode als auch von der Außenhülle beeinflusst. Um dies zu entwirren, nutzte das Team statistische Werkzeuge, die nach Mustern über viele Batterien hinweg suchen. Sie konzentrierten sich auf die Signalstärken von fünf Schlüsselmetallen – Aluminium, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel –, die helfen, gängige Kathodentypen zu unterscheiden. Mit Hauptkomponentenanalyse und hierarchischem Clustering gruppierten sie die 108 Batterien in fünf Cluster, die sowohl ihre physischen Formate als auch ihre zugrunde liegenden Chemien widerspiegelten.

Untersuchung dessen, was die Gruppen wirklich bedeuten

Um zu bestätigen, was jede Gruppe tatsächlich enthielt, öffneten die Forscher vorsichtig drei repräsentative Batterien aus jedem Cluster. Sie untersuchten die Kathodenpulver mit Elektronenmikroskopie, Röntgendiffraktion und einer empfindlicheren chemischen Methode namens ICP-OES. Diese zerstörenden Tests zeigten, welche Kathodenmaterialien tatsächlich vorhanden waren: Knopfzellen verwendeten hauptsächlich Lithium‑Mangan‑Dioxid; einige Pouch-Zellen basierten auf Lithium‑Kobaltoxid; andere sowie die meisten Zylinderzellen beruhten auf Mischungen aus nickel-, mangan- und kobaltreichen Oxiden. Wichtig ist, dass ein Klassifikationsmodell, das mit hochwertigen XRF-Daten trainiert wurde, auch bei sehr kurzen, 5‑Sekunden-Scans alle Testbatterien mit hoher Sicherheit den richtigen Gruppen zuordnete.

Wenn die Verpackung hilft – oder die Sicht verdeckt

Die Studie zeigt außerdem, dass Batteriegehäuse nicht nur Hindernisse sind; sie können auch Hinweise liefern. Dünne, aluminiumlaminierte Pouch-Ummantelungen lassen mehr von dem Röntgensignal der Kathode entweichen, wodurch sich die tatsächliche Chemie leichter ablesen lässt. Dicke Edelstahlgehäuse bei Knopf- und Zylinderzellen hingegen absorbieren und überschreiben die Kathodensignale stark, sodass das XRF-Spektrum vom Stahl dominiert wird. Selbst in diesen Fällen korrelierte jedoch die chemische Zusammensetzung der Hülle und der Plastikhüllen – etwa das Vorhandensein von Chlor oder titanbasierten Pigmenten – tendenziell mit bestimmten Kathodenfamilien in der Stichprobe. Das bedeutet, dass das System manchmal die äußere Verpackung als Proxy nutzen kann, wenn direkte Kathodensignale schwach sind, wobei klar ist, dass solche Korrelationen nicht überall gelten müssen.

Schnelleres Sortieren für eine kreislauforientierte Batterieökonomie

Insgesamt zeigt die Arbeit, dass XRF in Kombination mit intelligenter Datenanalyse verbrauchte Batterien innerhalb von Sekunden nach Kathodentyp sortieren kann, ohne sie zu zerlegen – zumindest für die untersuchte Bandbreite kommerzieller Zellen. Pouch-Zellen mit rein kobaltbasierter Kathode lassen sich beispielsweise direkt identifizieren – nützlich, um kobaltreiche Batterien in spezialisierte Rückgewinnungsströme zu leiten. Zwar kann die Methode nicht jeden denkbaren Aufbau perfekt bestimmen und hat Probleme mit sehr dicken Stahlgehäusen, doch sie bietet eine praktische Grundlage für automatisierte, Echtzeit-Sortierlinien. Indem unterschiedliche Batterien schnell in gezielte Recyclingprozesse geleitet werden, könnte dieser Ansatz helfen, mehr kritische Metalle zurückzugewinnen, die Verarbeitungs kosten zu senken und die Umweltbilanz unseres wachsenden Bedarfs an wiederaufladbarer Energie zu verringern.

Zitation: Ren, F., Vidal, V., Campos, A. et al. X-ray fluorescence spectroscopy for rapid identification of cathode chemistry in lithium-ion battery recycling. Commun Eng 5, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00618-3

Schlüsselwörter: Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, Kathodenidentifikation, Röntgenfluoreszenz, Rückgewinnung kritischer Metalle, Batterie-Sortiertechnologie